Aluminium-Gusslegierung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Gusslegierung, insbesondere eine Aluminium-Druckgusslegierung.

[0002] Die Druckgusstechnik hat sich heute soweit entwickelt, dass es möglich ist, Gussstükke mit hohen Qualitätsansprüchen herzustellen. Die Qualität eines Druckgussstückes hängt aber nicht nur von der Maschineneinstellung und dem gewählten Verfahren ab, sondern in hohem Masse auch von der chemischen Zusammensetzung und der Gefügestruktur der verwendeten Gusslegierung. Diese beiden letztgenannten Parameter beeinflussen bekanntermassen die Giessbarkeit, das Speisungsverhalten (G. Schindelbauer, J. Czikel ''Formfüllungsvermögen und Volumendefizit gebräuchlicher Aluminiumdruckgusslegierungen'' Giessereiforschung 42, 1990, S. 88/89), die mechanischen Eigenschaften und -- im Druckguss ganz besonders wichtig -- die Lebensdauer der Giesswerkzeuge (L.A. Norström, B. Klarenfjord, M. Svenson "General Aspects on Wash-out Mechanism in Aluminium Diecasting Dies'', 17. International NADCA Diecastingcongress 1993, Cleveland OH).

[0003] In der Vergangenheit wurde der Entwicklung von speziell für den Druckguss anspruchsvoller Gussstücke geeigneten Legierungen wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Die meisten Anstrengungen wurden auf die Weiterentwicklung der Verfahrenstechnik des Druckgussprozesses verwendet. Gerade von Konstrukteuren der Automobilindustrie wird aber immer mehr gefordert, schweissbare Bauteile mit hoher Duktilität im Druckguss zu realisieren, da bei hohen Stückzahlen der Druckguss die kostengünstigste Produktionsmethode darstellt.

[0004] Durch die Weiterentwicklung der Druckgusstechnik ist es heute möglich, schweissbare und wärmebehandelbare Gussstücke von hoher Qualität herzustellen. Dies hat den Anwendungsbereich für Druckgussteile auf sicherheitsrelevante Komponenten erweitert. Für derartige Komponenten werden heute üblicherweise AlSiMg-Legierungen eingesetzt, da diese eine gute Giessbarkeit bei geringem Formenverschleiss aufweisen. Damit die geforderten mechanischen Eigenschaften, insbesondere eine hohe Bruchdehnung, erreicht werden können, müssen die Gussteile einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Diese Wärmebehandlung ist zur Einformung der Gussphasen und damit zur Erzielung eines zähen Bruchverhaltens notwendig. Eine Wärme behandlung bedeutet in der Regel eine Lösungsglühung bei Temperaturen knapp unterhalb der Solidustemperatur mit nachfolgendem Abschrecken in Wasser oder einem anderen Medium auf Temperaturen <100°C. Der so behandelte Werkstoff weist nun eine geringe Dehngrenze und Zugfestigkeit auf. Um diese Eigenschaften auf den gewünschten Wert zu heben, wird anschliessend eine Wannauslagerung durchgeführt. Diese kann auch prozessbedingt erfolgen, z.B. durch eine thermische Beaufschlagung beim Lackieren oder durch das Entspannungsglühen einer ganzen Bauteilgruppe.

[0005] Da Druckgussstücke endabmessungsnah gegossen werden, haben sie meist eine komplizierte Geometrie mit dünnen Wandstärken. Während des Lösungsglühens und besonders beim Abschreckprozess muss mit Verzug gerechnet werden, der eine Nacharbeit z.B. durch Richten der Gussstücke oder im schlimmsten Fall Ausschuss nach sich ziehen kann. Die Lösungsglühung verursacht zudem zusätzliche Kosten und die Wirtschaftlichkeit dieser Produktionsmethode könnte wesentlich erhöht werden, wenn Legierungen zur Verfügung stehen würden, die die geforderten Eigenschaffen ohne eine Wärmebehandlung erfüllen.

[0006] Es sind auch AlMg-Legierungen bekannt, die sich durch eine hohe Duktilität auszeichnen. Eine derartige Legierung ist beispielsweise in der US-A-5 573 606 offenbart. Diese Legierungen haben aber den Nachteil eines hohen Formenverschleisses und bringen Probleme beim Ausformen, was die Produktivität erheblich verringert.

[0007] Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Druckgusslegierung mit hoher Bruchdehnung bei noch akzeptabler Dehngrenze zu schaffen, die eine gute Giessbarkeit aufweist und in der Form möglichst wenig klebt. Die folgenden Minimalwerte müssen im Gusszustand erreicht werden:

Dehnung (A5): 14%   Dehngrenze (Rp 0.2): 100 MPa

[0008] Die Legierung soll zudem gut schweissbar sein, einen hohen Korrosionswiderstand aufweisen und insbesondere keine Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion zeigen.

[0009] Zur erfindungsgemässen Lösung führt, dass die Legierung aus

2,0 bis 3,3 Gew.-%

Magnesium

0,15 bis 0,35 Gew.-%

Silizium

0,20 bis 1,0 Gew.-%

Mangan

max. 0,20 Gew.-%

Eisen

max. 0,05 Gew.-%

Kupfer

max. 0,05 Gew.-%

Chrom

max. 0,10 Gew.-%

Zink

max. 0,003 Gew.-%

Beryllium

max. 0,20 Gew.-%

Titan

max. 0,80 Gew.-%

Cer

sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%, besteht. Der zur Herstellung der Legierung verwendete Reinheitsgrad des Aluminiums entspricht einem Hütten-Aluminium der Qualität Al 99.8 H.

[0010] Diese Legierung weist im Gusszustand eine gut eingeformte α-Phase auf. Das Eutektikum, überwiegend bestehend aus Mg₂Si- und Al₆Mn-Phasen, ist sehr fein ausgebildet und führt daher zu einem hochduktilen Bruchverhalten. Durch den Anteil an Mangan wird das Kleben in der Form vermieden und eine gute Entformbarkeit gewährleistet. Der Magnesiumgehalt in Verbindung mit Mangan gibt dem Gussstück eine hohe Gestaltsfestigkeit, so dass auch beim Entformen mit sehr geringem bis gar keinem Verzug zu rechnen ist.

[0011] Aufgrund der bereits eingeformten α-Phase lässt sich diese Legierung auch für das Thixocasting bzw. Thixoschmieden einsetzen. Die α-Phase formt sich beim Wiederaufschmelzen sofort ein, so dass hervorragende thixotrope Eigenschaften vorliegen. Bei den üblichen Aufheizgeschwindigkeiten wird eine Korngrösse von <100µm erzeugt.

[0012] Zur Erzielung einer hohen Duktilität ist von wesentlicher Bedeutung, dass der Eisengehalt in der Legierung möglichst tief gehalten wird. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemässe Legierungszusammensetzung trotz geringem Eisengehalt nicht zum Kleben in der Form neigt. Entgegen der allgemeinen Ansicht, dass mit hohen Eisengehalten ein Kleben in der Form in jedem Fall verhindert werden kann, hat sich beim erfindungsgemäss vorgeschlagenen Legierungstyp herausgestellt, dass bei Erhöhung des Eisengehalts auf mehr als 0,4 Gew.-% bereits wieder eine Zunahme der Klebeneigung beobachtet wird.

[0013] Für die einzelnen Legierungselemente werden die folgenden Gehaltsbereiche bevorzugt:

Magnesium

2,4 bis 3,0 Gew.-%, insbesondere 2,4 bis 2,8 Gew.-%

Silizum

0,20 bis 0,30 Gew.-%

Mangan

0,30 bis 0,90 Gew.-%, insbesondere 0,40 bis 0,80 Gew.-%

Eisen

max. 0,15 Gew.-%

[0014] Die Klebeneigung des Gussstücks in der Form kann weiter drastisch vermindert und das Ausformverhalten wesentlich verbessert werden, wenn Mangan teilweise durch Cer ersetzt wird. Bevorzugt enthält die Legierung daher 0,05 bis 0,80 Gew.-%, insbesondere 0,10 bis 0,50 Gew.% Cer. Eine optimale Wirkung wird dann erreicht, wenn die Summe der Gehalte an Cer und Mangan in der Legierung mindestens 0,80 Gew.-% beträgt und die Legierung mindestens 0,4 Gew.-% Mangan enthält.

[0015] Eine besondere Ausgestaltung der erfindungsgemässen Aluminium-Gusslegierung wird darin gesehen, dass die Legierung bereits im Rheogefügezustand vorliegt und sich damit besonders für das Thixocasting bzw. Thixoschmieden eignet.

[0016] Obwohl die erfindungsgemässe Aluminium-Gusslegierung insbesondere zur Verarbeitung im Druckguss vorgesehen ist, kann sie selbstverständlich auch mit anderen Verfahren vergossen werden, z.B.

Sandguss

Schwerkraftkokillenguss

Niederdruckguss

Thixocasting/Thixoschmieden

Squeeze casting

[0017] Die grössten Vorteile ergeben sich jedoch bei Giessverfahren, die mit hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten ablaufen, wie beispielsweise beim Druckgiessverfahren.

[0018] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfindungsgemässen Aluminium-Gusslegierung sowie deren hervorragende Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.

Beispiele

[0019] Aus vier verschiedenen Legierungen wurde auf einer Druckguss-Maschine mit 400 t Schliesskraft jeweils ein Topf mit einer Wanddicke von 3 mm und den Abmessungen 120 x 120 x 60 mm gegossen. Aus den Seitenteilen wurden Probestäbe für Zugversuche herausgearbeitet und an diesen die mechanischen Eigenschaften im Gusszustand gemessen. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefasst. Hierbei bedeuten Rp0.2 die Dehngrenze, Rm die Zugfestigkeit und A5 die Bruchdehnung. Bei den angegebenen Messwerten handelt es sich um Mittelwerte aus 10 Einzelmessungen. Die Legierungen wurden auf der Basis Hütten-Aluminium der Qualität Al 99.8H erschmolzen.

[0020] Die Versuche zeigen, dass mit der erfindungsgemässen Aluminium-Gusslegierung die bezüglich der Dehngrenze und der Bruchdehnung geforderten Minimalwerte im Gusszustand erreicht werden.

[0021] Die Legierung ist gut schweissbar, zeigt ein ausgezeichnetes Giessverhalten, eine praktisch vernachlässigbare Klebeneigung und lässt sich gut ausformen.

	Legierung 1	Legierung 2	Legierung 3	Legierung 4
Si [Gew.-%]	0.25	0.25	0.25	0.23
Fe [Gew.-%]	0.10	0.09	0.07	0.10
Mn [Gew.-%]	0.80	0.50	0.77	0.78
Mg [Gew.-%]	2.40	2.30	2.34	2.35
Ce [Gew.-%]	0.40	0.40	0.20	--
Rp0.2[N/mm2]	107	100	120	129
Rm [N/mm2]	219	192	205	218
A5 [%]	20.9	16.5	16.3	20.0

Ansprüche

1. Aluminium-Gusslegierung, insbesondere Aluminium-Druckgusslegierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus

2,0 bis 3,3 Gew.-%   Magnesium

0,15 bis 0,35 Gew.-%   Silizium

0,20 bis 1,0 Gew.-%   Mangan

max. 0,20 Gew.-%   Eisen

max. 0,05 Gew.-%   Kupfer

max. 0,05 Gew.-%   Chrom

max. 0,10 Gew.-%   Zink

max. 0,003 Gew.-%   Beryllium

max. 0,20 Gew.-%   Titan

max. 0,80 Gew.-%   Cer

sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0.02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%, besteht.

2. Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 2,4 bis 3,0 Gew.-%, insbesondere 2,4 bis 2,8 Gew.-% Magnesium enthält.

3. Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,20 bis 0,30 Gew.-% Silizium enthält.

4. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,30 bis 0,90 Gew.-%, insbesondere 0,40 bis 0,80 Gew.-% Mangan enthält.

5. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,15 Gew.-% Eisen enthält.

6. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,05 bis 0,80 Gew.-%, insbesondere 0,10 bis 0,50 Gew.-% Cer enthält.

7. Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Gehalte an Cer und Mangan in der Legierung min. 0,80 Gew.-% beträgt und die Legierung min. 0,40 Gew.-% Mangan enthält.

8. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung als Druckgusslegierung im Gusszustand eine Dehngrenze (Rp0.2) von min. 100 MPa und eine Bruchdehnung (A5) von min. 14% aufweist.

9. Verwendung einer Aluminium-Legierung bestehend aus

2,0 bis 3,3 Gew.-%   Magnesium

0,15 bis 0,35 Gew.-%   Silizium

0,20 bis 1,0 Gew.-%   Mangan

max. 0,20 Gew.-%   Eisen

max. 0,05 Gew.-%   Kupfer

max. 0,05 Gew.-%   Chrom

max. 0,10 Gew.-%   Zink

max. 0,003 Gew.-%   Beryllium

max. 0,20 Gew.-%   Titan

max. 0,80 Gew.-%   Cer

sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0.02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%, wobei die Legierung bereits im Rheozustand vorliegt, für das Thixocasting oder das Thixoschmieden.